История алюминия - History of aluminium

Экструзионные алюминиевые заготовки складываются на заводе
Экструзионные заготовки из алюминия

Алюминий (или алюминий) металл очень редко встречается в самородном виде , и процесс его очистки из руд сложен, поэтому на протяжении большей части истории человечества он был неизвестен. Однако квасцы были известны с V века до нашей эры и широко использовались древними для окрашивания. В средние века , его использование для окрашивания сделал это товарное международной торговли. Ученые эпохи Возрождения считали, что квасцы были солью новой земли ; в эпоху Просвещения было установлено, что эта земля, глинозем , была оксидом нового металла. Об открытии этого металла объявил в 1825 году датский физик Ганс Кристиан Эрстед , чьи работы были расширены немецким химиком Фридрихом Велером .

Алюминий было трудно облагораживать, и поэтому он редко использовался на практике. Вскоре после его открытия цена на алюминий превысила цену золота. Он был сокращен только после того, как в 1856 году французским химиком Анри Этьеном Сент-Клер Девилем было запущено первое промышленное производство . В 1878 году Джеймс Ферн Вебстер производил 100 фунтов чистого алюминия каждую неделю на своей фабрике в Солихалл-Лодж в Уорикшире. Он использовал химический процесс. В 1884 году, он создал торговый титул, патентный алюминиевый Crown Metal Company Вебстера Ltd. Алюминий стал гораздо более доступным для общественности с процессом Холла-Эру , разработанной независимо французским инженером Полем Эру и американский инженер Чарльз Мартин Холл в 1886 году, и Bayer процесс, разработанный австрийским химиком Карлом Йозефом Байером в 1889 году. Эти процессы использовались для производства алюминия до настоящего времени.

Внедрение этих методов в массовое производство алюминия привело к широкому использованию легкого, устойчивого к коррозии металла в промышленности и повседневной жизни. Алюминий начали использовать в машиностроении и строительстве. Во время Первой мировой войны I и II , алюминий является одним из важнейших стратегических ресурсов для авиации . Мировое производство металла выросло с 6 800 метрических тонн в 1900 году до 2 810 000 метрических тонн в 1954 году, когда алюминий стал самым производимым цветным металлом , обогнав медь .

Во второй половине 20 века алюминий получил распространение при транспортировке и упаковке. Производство алюминия стало поводом для беспокойства из-за его воздействия на окружающую среду, и вторичная переработка алюминия получила широкое распространение. Металл стал биржевым товаром в 1970-х годах. Производство начало перемещаться из развитых стран в развивающиеся ; к 2010 году Китай накопил особенно большую долю как в производстве, так и в потреблении алюминия. Мировое производство продолжало расти, достигнув 58 500 000 метрических тонн в 2015 году. Производство алюминия превышает производство всех других цветных металлов вместе взятых.

История ранних веков

Сегодня я представляю вам победу над турком. Каждый год они выжимают у христиан более трехсот тысяч дукатов на квасцы, которыми мы красим шерсть. Ибо у латинян этого нет, за исключением очень небольшого количества. [...] Но я нашел семь гор, настолько богатых этим материалом, что они могут служить источником семи миров. Если вы отдадите приказ нанять рабочих, построить печи и выплавлять руду, вы обеспечите всю Европу квасцами, и турок потеряет всю свою прибыль. Вместо этого они достанутся вам ...

-  Джованни да Кастро своему крестному папе Пию II в 1461 году после обнаружения богатого источника квасцов в Толфе недалеко от Рима.
Белые кристаллы квасцов на стеклянной пластине
Кристаллы квасцов , естественная форма которых была известна еще с древних времен.

История алюминия сформировалась благодаря использованию его сложных квасцов . Первое письменное упоминание о квасцах было сделано в V веке до нашей эры греческим историком Геродотом . Древние использовали его в качестве протравы при крашении , в медицине, в химическом фрезеровании , а также в качестве огнестойкого покрытия для дерева для защиты крепостей от вражеских поджогов. Металлический алюминий был неизвестен. Римский писатель Петроний в своем романе « Сатирикон» упоминает, что императору преподнесли необычный стакан: после того, как его бросили на мостовую, он не разбился, а только деформировался. Ему вернули прежнюю форму с помощью молотка. Узнав от изобретателя, что никто другой не знает, как производить этот материал, император приказал казнить изобретателя, чтобы это не снизило цену на золото. Вариации этой истории были кратко упомянуты в « Естественной истории » римского историка Плиния Старшего (который отметил, что эта история «была актуальной благодаря частому повторению, а не достоверной») и в « Римской истории » римского историка Кассия Дио . Некоторые источники предполагают, что это стекло могло быть алюминиевым. Возможно, алюминийсодержащие сплавы производились в Китае во время правления первой династии Цзинь (266–420 гг.).

После крестовых походов , квасцы были товаром международной торговли; он был незаменим в европейской текстильной промышленности. Небольшие квасцы разрабатывались в католической Европе, но большая часть квасцов прибыла с Ближнего Востока. Квасцы продолжали продаваться через Средиземное море до середины 15 века, когда османы значительно повысили экспортные пошлины. Через несколько лет квасцы были обнаружены в большом количестве в Италии. Папа Пий II запретил любой импорт с востока, используя прибыль от торговли квасцами, чтобы начать войну с османами. Эти недавно найденные квасцы долгое время играли важную роль в европейской аптеке , но высокие цены, установленные папским правительством, в конечном итоге заставили другие государства начать собственное производство; крупномасштабная добыча квасцов пришла в другие регионы Европы в 16 веке.

Установление природы квасцов

Я думаю, не слишком рискованно предсказывать, что наступит день, когда металлическая природа квасцов будет неопровержимо доказана.

-  Французский химик Теодор Барон д'Энувиль в 1760 году в Парижской академии наук.
Портрет Антуана Лавуазье в лаборатории
Антуан Лавуазье установил, что глинозем - это оксид неизвестного металла.

В начале Возрождения природа квасцов оставалась неизвестной. Около 1530 года швейцарский врач Парацельс выделил квасцы отдельно от купороса (сульфатов) и предположил, что это соль земли . В 1595 году немецкий врач и химик Андреас Либавиус продемонстрировал, что квасцы, а также зеленый и синий купорос образованы одной и той же кислотой, но разными землями; для неоткрытой земли, из которой образовывались квасцы, он предложил название «глинозем». Немецкий химик Георг Эрнст Шталь в 1702 году заявил, что неизвестная основа квасцов была сродни извести или мелу ; это ошибочное мнение разделяли многие ученые на протяжении полувека. В 1722 году немецкий химик Фридрих Хоффманн предположил, что в основе квасцов лежит отдельная земля. В 1728 году французский химик Этьен Жоффруа Сен-Илер утверждал, что квасцы образованы неизвестной землей и серной кислотой ; он ошибочно полагал, что при сжигании земля дает кремнезем. (Ошибка Жоффруа была исправлена ​​только в 1785 году немецким химиком и фармацевтом Иоганном Христианом Виглебом . Он определил, что квасцы не могут быть синтезированы из кремнезема и щелочей, вопреки современным представлениям.) Французский химик Жан Гелло доказал, что земля в глине и земле образовавшиеся в результате реакции щелочи на квасцы, были идентичны в 1739 году. Немецкий химик Иоганн Генрих Потт показал, что осадок, полученный при заливке щелочи в раствор квасцов, отличался от извести и мела в 1746 году.

Немецкий химик Андреас Сигизмунд Маргграф синтезировал квасцовую землю путем кипячения глины в серной кислоте и добавления поташа в 1754 году. Он понял, что добавление соды, поташа или щелочи к раствору новой земли в серной кислоте дает квасцы. Он описал землю как щелочную, поскольку обнаружил, что она растворяется в кислотах при сушке. Маргграф также описал соли этой земли: хлоридную , нитратную и ацетатную . В 1758 году французский химик Пьер Маккер писал, что глинозем похож на металлическую землю. В 1760 году французский химик Теодор Барон д'Энувиль  [ фр ] выразил уверенность в том, что глинозем - это металлическая земля.

В 1767 году шведский химик Торберн Бергман синтезировал квасцы путем кипячения алунита в серной кислоте и добавления в раствор поташа. Он также синтезировал квасцы как продукт реакции между сульфатами калия и землей квасцов, продемонстрировав, что квасцы были двойной солью. Немецкий химик-фармацевт Карл Вильгельм Шееле продемонстрировал, что и квасцы, и кремнезем произошли из глины, а квасцы не содержали кремния в 1776 году. В 1782 году французский химик Антуан Лавуазье считал глинозем оксид металла со столь сильным сродством к кислороду, что никаких известных восстановителей не было. агенты могли это преодолеть.

Шведский химик Йенс Якоб Берцелиус предложил формулу AlO 3 для оксида алюминия в 1815 году. Правильная формула, Al 2 O 3 , была установлена ​​немецким химиком Эйльхардом Митчерлихом в 1821 году; это помогло Берцелиусу определить правильный атомный вес металла 27.

Изоляция металла

Эта амальгама быстро отделяется на воздухе и при перегонке в инертной атмосфере дает кусок металла, который по цвету и блеску чем-то напоминает олово.

-  Датский физик Ганс Кристиан Орстед в 1825 году, описывая изоляцию алюминия в Королевской датской академии наук и литературы.
Портрет Ганса Христиана Эрстеда крупным планом
Ганс Кристиан Эрстед , первооткрыватель металлического алюминия

В 1760 году барон де Энувиль безуспешно пытался восстановить глинозем до металла. Он утверждал, что перепробовал все известные в то время методы редукции, хотя его методы не были опубликованы. Вероятно, он смешал квасцы с углеродом или каким-либо органическим веществом, с солью или содой для флюса и нагрел их на угле. Австрийские химики Антон Леопольд Рупрехт и Маттео Тонди повторили эксперименты Барона в 1790 году, значительно повысив температуры. Они обнаружили маленькие металлические частицы, которые, по их мнению, были желанным металлом; но более поздние эксперименты других химиков показали, что это фосфид железа из примесей древесного угля и костной золы. Немецкий химик Мартин Генрих Клапрот впоследствии прокомментировал: «Если существует земля, которая была помещена в условия, при которых должна быть раскрыта ее металлическая природа, если таковая была, то земля подвергалась экспериментам, подходящим для ее восстановления, проверялась в самых горячих огнях. всякими методами, как в большом, так и в малом масштабе, эта земля определенно является глиноземом, но никто еще не заметил ее металлизации ». Лавуазье в 1794 году и французский химик Луи-Бернар Гайтон де Морво в 1795 году расплавили глинозем до белой эмали на углях, питаемых чистым кислородом, но не обнаружили металла. Американский химик Роберт Хейр в 1802 году расплавил оксид алюминия с помощью кислородно-водородной струи , также получив эмаль, но все же не нашел металла.

В 1807 году британский химик Хамфри Дэви успешно электролизовал глинозем с помощью щелочных батарей, но полученный сплав содержал калий и натрий , и у Дэви не было средств отделить от них желаемый металл. Затем он нагрел глинозем с калием, образуя оксид калия, но не смог произвести искомый металл. В 1808 году Дэви поставил другой эксперимент по электролизу глинозема, установив, что глинозем разлагается в электрической дуге, но образует металл, легированный железом ; он не мог разделить их. Наконец, он попытался провести еще один эксперимент с электролизом, пытаясь собрать металл на железе, но снова не смог отделить от него желанный металл. Дэви предложил назвать этот металл алюминием в 1808 году и алюминием в 1812 году, таким образом получив современное название. Другие ученые использовали правописание « алюминий» ; в последующие десятилетия прежнее написание вновь стало использоваться в Соединенных Штатах.

Американский химик Бенджамин Силлиман повторил эксперимент Хейра в 1813 году и получил небольшие гранулы искомого металла, которые почти сразу же загорелись.

В 1824 году датский физик Ганс Кристиан Орстед попытался получить этот металл. Он прореагировал на безводный хлорид алюминия с амальгамой калия , получив кусок металла, похожий на олово. Он представил свои результаты и продемонстрировал образец нового металла в 1825 году. В 1826 году он писал: «Алюминий имеет металлический блеск и несколько сероватый цвет и очень медленно разрушает воду»; это говорит о том, что он получил сплав алюминия с калием, а не чистый алюминий. Эрстед не придал большого значения своему открытию. Он не уведомил ни Дэви, ни Берцелиуса, которых он знал, и опубликовал свою работу в датском журнале, неизвестном европейской публике. В результате его часто не считают первооткрывателем элемента; некоторые более ранние источники утверждали, что Эрстед не изолировал алюминий.

Макро портрет Фридриха Вёлера
Фридрих Велер , первый исследователь свойств алюминия

Берцелиус попытался выделить металл в 1825 году, тщательно промывая калиевый аналог основной соли в криолите в тигле. Перед экспериментом он правильно определил формулу этой соли как K 3 AlF 6 . Он не нашел металла, но его эксперимент был близок к успеху и впоследствии был успешно воспроизведен много раз. Ошибка Берцелиуса заключалась в использовании избытка калия, который делал раствор слишком щелочным и растворял весь вновь образованный алюминий.

Немецкий химик Фридрих Вёлер посетил Эрстед в 1827 году и получил четкое разрешение продолжить исследования алюминия, на которые у Эрстеда «не было времени». Велер повторил эксперименты Эрстеда, но не обнаружил алюминия. (Вёлер позже писал Берцелиусу: «То, что Эрстед считал куском алюминия, определенно было не чем иным, как алюминийсодержащим калием».) Он провел аналогичный эксперимент, смешав безводный хлорид алюминия с калием, и получил порошок алюминия. Услышав об этом, Эрстед предположил, что его собственный алюминий мог содержать калий. Велер продолжил свои исследования и в 1845 году смог произвести небольшие кусочки металла и описал некоторые из его физических свойств. Описание свойств Велера указывает на то, что он получил нечистый алюминий. Другим ученым также не удалось воспроизвести эксперимент Эрстеда, и Велер долгие годы считался его первооткрывателем. Хотя Эрстеда не волновала приоритетность открытия, некоторые датчане пытались продемонстрировать, что он получил алюминий. В 1921 году причина несоответствия между экспериментами Эрстеда и Велера была обнаружена датским химиком Йоханом Фогом, который продемонстрировал, что эксперимент Эрстеда был успешным благодаря использованию большого количества избыточного хлорида алюминия и амальгамы с низким содержанием калия. В 1936 году ученые из американской компании по производству алюминия Alcoa успешно воссоздали этот эксперимент. Однако многие более поздние источники все еще приписывают Вёлеру открытие алюминия, а также его успешное выделение в относительно чистой форме.

Раннее промышленное производство

Моей первой мыслью было то, что я получил этот промежуточный металл, который найдет свое место в использовании и потребностях человека, когда мы найдем способ взять его из химической лаборатории и использовать в промышленности.

-  Предисловие « Алюминий, его свойства, производство и применение» , книга французского химика Анри Этьена Сент-Клер Девиль в 1859 году.
Гравюра на дереве портрета Анри Этьена Сент-Клер Девиль
Анри Этьен Сент-Клер Девиль был первым, кто разработал метод производства алюминия.

Поскольку метод Велера не позволял получить большое количество алюминия, металл оставался необычным; его стоимость превышала стоимость золота до того, как был изобретен новый метод. Цены последовали: в 1852 году алюминий продавался по 34 доллара за унцию. Для сравнения, цена на золото в то время составляла 19 долларов за унцию.

Французский химик Анри Этьен Сент-Клер Девиль объявил о промышленном методе производства алюминия в 1854 году в Парижской академии наук . Хлорид алюминия может быть восстановлен натрием, металлом, более удобным и менее дорогим, чем калий, который использовал Веллер. Девилль смог произвести слиток металла. Наполеон III из Франции пообещал Девилю неограниченную субсидию на исследования алюминия; Всего Девиль использовал 36 000 французских франков, что в 20 раз превышало годовой доход обычной семьи. Интерес Наполеона к алюминию заключался в его потенциальном военном использовании: он хотел, чтобы оружие, шлемы, доспехи и другое снаряжение для французской армии было сделано из нового легкого блестящего металла. Хотя металл все еще не был представлен публике, считается, что Наполеон устроил банкет, на котором самым почетным гостям была вручена алюминиевая посуда, а другим досталось золото.

Двенадцать маленьких слитков алюминия позже были впервые представлены публике на Всемирной выставке 1855 года . Металл представляли как «серебро из глины» (алюминий визуально очень похож на серебро), и вскоре это название получило широкое распространение. Он привлек всеобщее внимание; Было предложено использовать алюминий в искусстве, музыке, медицине, кулинарии и посуде. Металл заметили писатели-авангардисты того времени - Чарльз Диккенс , Николай Чернышевский и Жюль Верн, - которые предвидели его использование в будущем. Однако не все внимание было благоприятным. Газеты писали: «Парижская выставка положила конец сказке о серебре из глины», говоря, что многое из того, что было сказано о металле, было преувеличением, если не неправдой, и что количество представленного металла - около килограмма - в отличие от того, что ожидалось, и было «не много для открытия, которое, как говорили, перевернуло мир с ног на голову». В целом ярмарка привела к коммерциализации металла. В том году алюминий был поставлен на рынок по цене 300 F за килограмм. На следующей выставке в Париже в 1867 году посетителям была представлена ​​алюминиевая проволока и фольга, а также новый сплав - алюминиевая бронза , отличающаяся низкой стоимостью производства, высокой устойчивостью к коррозии и желаемыми механическими свойствами.

Лицевая и оборотная стороны блестящей серебряной монеты, лицевая сторона с изображением бородатого мужчины;  обратно с ценой и датой в окружении венка из листьев
1857 г. Алюминиевая монета номиналом 20 французских франков с портретом французского Наполеона III , покровителя исследований в области производства алюминия.

Производители не хотели отвлекать ресурсы от производства хорошо известных (и товарных) металлов, таких как железо и бронза , на эксперименты с новым металлом ; кроме того, полученный алюминий по-прежнему был невысокой чистоты и отличался по свойствам в зависимости от образца. Это привело к первоначальному общему нежеланию производить новый металл. Девиль и партнеры наладили первое в мире промышленное производство алюминия на плавильном заводе в Руане в 1856 году. В том же году плавильный завод Девиля переехал в Ла-Гласьер, затем в Нантер , а в 1857 году - в Салиндр . Для фабрики в Нантере было зарегистрировано производство 2 кг алюминия в день; с чистотой 98%. Первоначально производство начиналось с синтеза чистого глинозема, полученного при прокаливании квасцов аммония. В 1858 году Девиль познакомился с бокситами и вскоре превратился в так называемый процесс Девиля , в котором минерал использовался в качестве источника для производства глинозема. В 1860 году Девиль продал свои алюминиевые активы Анри Мерлю , основателю Compagnie d'Alais et de la Camargue; эта компания десятилетия спустя доминировала на рынке алюминия во Франции.

Верхняя часть памятника Вашингтону
Замковый камень памятника Вашингтону (Вашингтон, округ Колумбия) весом 2,85 кг (6,3 фунта) был изготовлен из алюминия в 1884 году. В то время это был самый большой кусок алюминия из когда-либо отлитых.

Некоторые химики, в том числе Девиль, пытались использовать криолит в качестве исходной руды, но без особого успеха. Британский инженер Уильям Герхард в 1856 году построил завод с криолитом в качестве основного сырья в Баттерси, Лондон, но технические и финансовые трудности вынудили его закрыть через три года. Британский мастер по производству железа Исаак Лоутиан Белл производил алюминий с 1860 по 1874 год. Во время открытия своей фабрики он помахал толпе уникальным и дорогим алюминиевым цилиндром . Статистику по этой продукции восстановить невозможно, но она «не может быть очень высокой». Производство Девиля выросло до 1 метрической тонны в год в 1860 году; 1,7 метрических тонны в 1867 г .; и 1,8 метрических тонны в 1872 году. В то время спрос на алюминий был низким: например, продажи алюминия Девилля его британскими агентами равнялись 15 килограммам в 1872 году. Алюминий в то время часто сравнивали с серебром; Как и серебро, оно оказалось подходящим для изготовления ювелирных украшений и предметов искусства . Цена на алюминий неуклонно снижалась до 240 F в 1859 г .; 200 F в 1862 г .; 120 F в 1867 году.

Другие производственные площадки начали появляться в 1880-х годах. Британский инженер Джеймс Ферн Вебстер в 1882 году начал промышленное производство алюминия восстановлением натрием; его алюминий был намного чище, чем у Девилля (он содержал 0,8% примесей, тогда как алюминий Девилля обычно содержал 2%). Мировое производство алюминия в 1884 году составляло 3,6 метрических тонны. В 1884 году американский архитектор Уильям Фришмут объединил производство натрия, глинозема и алюминия в единый технологический процесс; это контрастировало с предыдущей потребностью в сборе натрия, который воспламеняется в воде, а иногда и в воздухе; Себестоимость его производства алюминия составляла около 16 долларов за фунт (по сравнению со стоимостью серебра в 19 долларов за фунт или французской ценой, эквивалентной 12 долларам за фунт). В 1885 году в Хемелингене открылась фабрика по производству алюминия и магния . Его производственные показатели сильно превышали показатели фабрики в Салиндресе, но фабрика остановила производство в 1888 году. В 1886 году американский инженер Гамильтон Кастнер разработал метод более дешевого производства натрия, который снизил стоимость производства алюминия до 8 долларов за фунт, но он это сделал. не имеет достаточного капитала, чтобы построить такую ​​большую фабрику, как у Девилля. В 1887 году он построил фабрику в Олдбери ; Вебстер построил неподалеку завод и купил натрий Кастнера, чтобы использовать его в собственном производстве алюминия. В 1889 году немецкий металлург Курт Нетто запустил метод восстановления криолита натрием, который позволил получить алюминий с содержанием примесей 0,5–1,0%.

Электролитическое производство и реализация

Я иду за этим металлом.

-  Якобы американский студент Чарльз Мартин Холл в 1880 году, услышав от своего профессора химии, что промышленное производство алюминия будет большим благом для человечества и источником богатства для первооткрывателя.
Обложка патента Холла на производство электролитического алюминия
Обложка патента, выданного Чарльзу Мартину Холлу на его процесс восстановления алюминия электролизом. Холл подал заявку на патент через два месяца после Эру; В результате ему потребовалось почти три года, чтобы доказать оригинальность своего метода, а патент был выдан только в 1889 году.

Впервые алюминий был произведен независимо с помощью электролиза в 1854 году немецкими химиками Робертом Вильгельмом Бунзеном и Девилем. Их методы не стали основой для промышленного производства алюминия, потому что в то время электроснабжение было неэффективным. Ситуация изменилась только после изобретения бельгийским инженером Зеноба-Теофиля Грамма динамо-машины в 1870 году, что сделало возможным создание большого количества электроэнергии. Изобретение трехфазного тока русским инженером Михаилом Доливо-Добровольским в 1889 году сделало возможной передачу этого электричества на большие расстояния. Вскоре после своего открытия Бунзен перешел к другим интересным областям, в то время как работы Девиля были замечены Наполеоном III; Это было причиной того, что Девиль начал исследования по производству алюминия, финансируемые Наполеоном. Девиль быстро понял, что электролитическое производство было непрактичным в то время, и перешел к химическим методам, представив результаты позже в том же году.

Электролитическое массовое производство оставалось затруднительным, поскольку электролитические ванны не выдерживали длительного контакта с расплавом солей и подвергались коррозии. Первая попытка преодолеть это при производстве алюминия была предпринята американским инженером Чарльзом Брэдли в 1883 году. Брэдли нагревает соли алюминия изнутри: самая высокая температура была внутри ванны, а самая низкая - на ее стенках, где соли затвердевали и защищали ванну. Затем Брэдли продал свою патентную заявку братьям Альфреду и Юджину Коулзам, которые использовали ее на плавильном заводе в Локпорте, а затем в Сток-апон-Трент, но метод был изменен, чтобы получить сплавы, а не чистый алюминий. Брэдли подал заявку на патент в 1883 году; из-за его широких формулировок он был отклонен как составленный из предшествующего уровня техники . После необходимого двухлетнего перерыва он снова подал заявку. Этот процесс длился шесть лет, поскольку патентное ведомство поставило под сомнение оригинальность идей Брэдли. Когда Bradley получил патент, производство электролитического алюминия существовало уже несколько лет.

Первый метод крупномасштабного производства был независимо разработан французским инженером Полем Эру и американским инженером Чарльзом Мартином Холлом в 1886 году; теперь он известен как процесс Холла – Эру . Электролиз чистого оксида алюминия непрактичен из-за его очень высокой температуры плавления; и Эру, и Холл поняли, что его можно значительно снизить за счет присутствия расплавленного криолита. Эру получил патент во Франции в апреле, а затем в нескольких других европейских странах; он также подал заявку на патент США в мае. После получения патента Эру не смог заинтересоваться своим изобретением. Когда он обратился за советом к профессионалам, ему ответили, что нет спроса на алюминий, но есть спрос на алюминиевую бронзу. Завод в Салиндресе не хотел улучшать свой процесс. В 1888 году Эру и его товарищи основали Aluminium Industrie Aktiengesellschaft и начали промышленное производство алюминиевой бронзы в Нойхаузене-на-Рейнфалле . Затем в Париже была основана компания Société électrométallurgique française. Они убедили Эру вернуться во Францию, приобрели его патенты и назначили его директором плавильного завода в Изере , который сначала производил алюминиевую бронзу в больших объемах, а чистый алюминий через несколько месяцев.

Статуя Антероса, греческого бога ответной любви, на площади Пикадилли в Лондоне
Статуя Антероса , греческого бога ответной любви, на площади Пикадилли в Лондоне . Эта статуя была установлена ​​в 1893 году и считается первой крупной работой из алюминия.

В то же время Холл производил алюминий тем же способом в своем доме в Оберлине . Он подал заявку на патент в июле, и патентное ведомство уведомило Холла о «вмешательстве» в заявку Эру. Братья Коулз предложили юридическую поддержку. К тому времени Холлу не удалось разработать коммерческий процесс для своих первых инвесторов, и он обратился к экспериментам на плавильном заводе Cowles в Локпорте. Год экспериментировал без особого успеха, но привлек внимание инвесторов. Холл стал соучредителем Pittsburgh Reduction Company в 1888 году и начал производство алюминия. Патент Холла был выдан в 1889 году. В 1889 году производство Холла начало использовать принцип внутреннего отопления. К сентябрю 1889 года производство Холла выросло до 385 фунтов (175 килограммов) по цене 0,65 доллара за фунт. К 1890 году компания Холла все еще испытывала недостаток в капитале и не платила дивиденды ; Холлу пришлось продать часть своих акций, чтобы привлечь инвестиции. В том же году был построен новый завод в Патрикрофте . Плавильный завод в Локпорте не выдержал конкуренции и был остановлен к 1892 году.

Процесс Холла-Эру превращает глинозем в металл. Австрийский химик Карл Йозеф Байер открыл способ очистки бокситов с получением глинозема в 1888 году на текстильной фабрике в Санкт-Петербурге и позже в том же году получил патент; это теперь известно как процесс Байера . Байер спекал бокситы щелочью и выщелачивал их водой; после перемешивания раствора и введения в него затравки он обнаружил осадок чистого гидроксида алюминия, который при нагревании разложился до оксида алюминия. В 1892 году, работая на химическом заводе в Елабуге , он обнаружил содержание алюминия в боксите, растворенном в щелочных остатках от выделения твердых частиц глинозема; это имело решающее значение для промышленного использования этого метода. Позднее в том же году ему был выдан патент.

Мировое производство алюминия в 1885–1899 гг.

Общее количество нелегированного алюминия, произведенного химическим методом Девиля с 1856 по 1889 год, составляет 200 метрических тонн. Только в 1890 году было произведено 175 метрических тонн. Он вырос до 715 метрических тонн в 1893 году и до 4034 метрических тонн в 1898 году. Цена упала до 2 долларов за фунт в 1889 году и до 0,5 доллара за фунт в 1894 году.

К концу 1889 года была достигнута неизменно высокая чистота алюминия, полученного с помощью электролиза. В 1890 году фабрика Вебстера устарела после открытия электролизного завода в Англии. Основное преимущество Нетто, высокая чистота получаемого алюминия, уступало электролитическому алюминию, и его компания закрылась в следующем году. Компания Compagnie d'Alais et de la Camargue также решила перейти на электролитическое производство, и их первый завод, использующий этот метод, был открыт в 1895 году.

Современное производство металлического алюминия основано на процессах Байера и Холла-Эру. Он был дополнительно улучшен в 1920 году группой под руководством шведского химика Карла Вильгельма Содерберга . Раньше анодные ячейки изготавливались из предварительно обожженных угольных блоков, которые быстро разрушались и требовали замены; команда ввела непрерывные электроды из коксовой и гудроновой пасты в камеру восстановления. Это значительно увеличило мировое производство алюминия.

Массовое использование

Дайте нам алюминий в нужном количестве, и мы сможем бороться еще четыре года.

-  советский лидер Иосиф Сталин в Гопкинса , личного представителя президента США Франклина Д. Рузвельта , в августе 1941 года
График, показывающий номинальные (в современных долларах США) и реальные (в долларах США 1998 г.) цены на алюминий с 1900 г.
Номинальная (в современных долларах США, синий цвет) и реальная (в долларах США 1998 года, красный цвет) цены на алюминий с 1900 года.

Цены на алюминий снизились, и к началу 1890-х годов металл стал широко использоваться в ювелирных изделиях, оправе для очков, оптических инструментах и ​​многих предметах повседневного обихода. Алюминиевая посуда начала производиться в конце 19 века и постепенно вытеснила посуду из меди и чугуна в первые десятилетия 20 века. В то время была популяризирована алюминиевая фольга . Алюминий мягкий и легкий, но вскоре было обнаружено, что сплавление его с другими металлами может повысить его твердость при сохранении его низкой плотности. Алюминиевые сплавы нашли широкое применение в конце 19 - начале 20 веков. Например, алюминиевая бронза применяется для изготовления гибких лент, листов и проволоки и широко применяется в судостроении и авиастроении. В авиации использовался новый алюминиевый сплав, дюралюминий , изобретенный в 1903 году. Переработка алюминия началась в начале 1900-х годов и широко использовалась, поскольку алюминий не повреждается при переработке и, таким образом, может повторно использоваться повторно. На этом этапе переработке подвергался только металл, который не использовался конечными потребителями. Во время Первой мировой войны крупные правительства требовали больших партий алюминия для легких прочных планеров. Они часто субсидировали заводы и необходимые системы электроснабжения. Общее производство алюминия достигло пика во время войны: мировое производство алюминия в 1900 году составляло 6 800 метрических тонн; в 1916 году годовой объем производства превысил 100 000 метрических тонн. Война привела к увеличению спроса на алюминий, который растущее первичное производство было не в состоянии полностью удовлетворить, а также интенсивно росла переработка. За пиком производства последовал спад, а затем стремительный рост.

Первый полет братьев Райт
Первый авиационный полет был совершен братьями Райт в 1903 году. Для двигателя Райт Флайера потребовался прочный легкий материал ; Для прочности использовался легкий алюминий, легированный медью.

В первой половине 20 века реальная цена на алюминий непрерывно снижалась с 14 000 долларов за метрическую тонну в 1900 году до 2340 долларов в 1948 году (в долларах США 1998 года). Были некоторые исключения, такие как резкий рост цен во время Первой мировой войны. Алюминий был в изобилии, и в 1919 году Германия начала заменять свои серебряные монеты алюминиевыми; все больше и больше номиналов было переведено на алюминиевые монеты по мере роста гиперинфляции в стране. К середине 20-го века алюминий стал частью повседневной жизни, став неотъемлемым компонентом предметов домашнего обихода. Алюминиевые грузовые вагоны впервые появились в 1931 году. Их меньшая масса позволяла перевозить больше грузов. В течение 1930-х годов алюминий стал материалом гражданского строительства, который использовался как в основном строительстве, так и в интерьерах зданий. Его применение в военной технике как для самолетов, так и для двигателей танков продвинулось вперед.

Алюминий, полученный при переработке, считался хуже первичного алюминия из-за более плохого химического контроля, а также плохого удаления шлаков и шлаков . Переработка в целом росла, но в значительной степени зависела от объема первичной продукции: например, когда цены на электроэнергию в Соединенных Штатах снизились в конце 1930-х годов, больше первичного алюминия можно было производить с использованием дорогостоящего энергозатратного процесса Холла – Эру. Это сделало переработку менее необходимой, и, как следствие, уровень переработки алюминия снизился. К 1940 году началась массовая переработка алюминия, бывшего в употреблении.

Запасы алюминия в мешках складываются перед тележками из алюминиевого металла
Во время Второй мировой войны британцы собирали алюминиевую посуду в домашних условиях. Из алюминия изготавливали самолеты.

Во время Второй мировой войны производство снова достигло пика, впервые превысив 1 000 000 метрических тонн в 1941 году. Алюминий широко использовался в производстве самолетов и был чрезвычайно важным стратегическим материалом; настолько, что когда Alcoa (преемница Холла Pittsburgh Reduction Company и монополист по производству алюминия в Соединенных Штатах в то время) не расширила свое производство, министр внутренних дел Соединенных Штатов в 1941 году заявил: «Если Америка проиграет войну, он может поблагодарить Алюминиевую корпорацию Америки ». В 1939 году Германия была ведущим производителем алюминия в мире; Таким образом, немцы считали алюминий своим преимуществом на войне. Алюминиевые монеты продолжали использоваться, но, хотя они символизировали упадок после их появления, к 1939 году они стали олицетворять силу. (В 1941 году их начали изымать из обращения.) После нападения на Соединенное Королевство в 1940 году оно начало амбициозную программу рециркуляции алюминия; новоназначенный министр авиастроения призвал общественность жертвовать любой бытовой алюминий для строительства самолетов. Советский Союз получил 328 100 метрических тонн алюминия от своих соучастников с 1941 по 1945 год; этот алюминий использовался в двигателях самолетов и танков. Без этих поставок продукция советской авиастроительной промышленности упала бы более чем вдвое.

После пика военного времени мировое производство упало в течение трех поздних и послевоенных лет, но затем снова начало быстро расти. В 1954 году мировое производство равнялось 2 810 000 метрических тонн; это производство превзошло производство меди , которая исторически была второй по производству после железа, что сделало ее самым производимым цветным металлом .

Алюминиевый век

Ничто не останавливает время. Одна эпоха следует за другой, а иногда мы этого даже не замечаем. Каменный век ... Бронзовый век ... Железный век ... [...] Однако можно утверждать, что именно сейчас мы стоим на пороге алюминиевого века.

-  Российская компания по производству алюминия РУСАЛ в своей книге « Алюминий: тринадцатый элемент» в 2007 году.

Первый искусственный спутник Земли , запущенный в 1957 году, состоял из двух соединенных между собой алюминиевых полушарий. Все последующие космические корабли в той или иной степени использовали алюминий. Алюминий может впервые был изготовлен в 1956 году и использовал в качестве контейнера для напитков в 1958 г. В 1960 - х годах, алюминий был использован для производства проводов и кабелей . С 1970-х годов в высокоскоростных поездах широко используется алюминий из-за его высокого отношения прочности к весу. По той же причине содержание алюминия в автомобилях растет.

К 1955 году на мировом рынке доминировали шесть основных компаний: Alcoa, Alcan (возникшая как часть Alcoa), Reynolds , Kaiser , Pechiney (слияние Compagnie d'Alais et de la Camargue, купившего плавильную фабрику Deville, и Société électrométallurgique française который нанял Эру) и Алуссе (преемник Aluminium Industrie Aktien Gesellschaft Эру); их совокупная доля рынка составила 86%. С 1945 года потребление алюминия росло почти на 10% каждый год в течение почти трех десятилетий, приобретая все большую популярность в строительстве, электрических кабелях, основных пленках и в авиастроении. В начале 1970-х годов дополнительный импульс пришел к развитию алюминиевых банок для напитков. Реальная цена снижалась до начала 1970-х годов; в 1973 году реальная цена составляла 2130 долларов за метрическую тонну (в долларах США 1998 года). Основными драйверами падения цен стали снижение затрат на добычу и переработку, технический прогресс и увеличение производства алюминия, которое впервые превысило 10 000 000 метрических тонн в 1971 году.

В конце 1960-х годов правительства узнали об отходах промышленного производства; они ввели в действие ряд правил, благоприятствующих переработке и удалению отходов. Аноды Содерберга, которые экономят капитал и рабочую силу для обжига анодов, но более вредны для окружающей среды (из-за большей сложности с сбором и удалением дыма от выпечки), попали в немилость, и производство начало возвращаться к предварительно обожженным. аноды. Алюминиевая промышленность начала продвигать переработку алюминиевых банок, пытаясь избежать ограничений на нее. Это привело к рециркуляции алюминия, который ранее использовался конечными потребителями: например, в Соединенных Штатах уровень рециркуляции такого алюминия увеличился в 3,5 раза с 1970 по 1980 год и в 7,5 раза до 1990 года. Затраты на производство первичного алюминия выросли в 1970-х и 1980-х годах. , и это также способствовало росту переработки алюминия. Более тщательный контроль состава и улучшенная технология рафинирования уменьшили разницу в качестве между первичным и вторичным алюминием.

В 1970-х годах возросший спрос на алюминий сделал его товаром для обмена; он поступил на Лондонскую биржу металлов , старейшую в мире биржу промышленных металлов, в 1978 году. С тех пор алюминий продавался за доллары США, и его цена колебалась вместе с обменным курсом валюты. Необходимость разработки месторождений с более низким содержанием и более низкого качества и быстро растущие затраты на энергоносители, а также на бокситы, а также изменения обменных курсов и регулирования выбросов парниковых газов увеличили чистую стоимость алюминия; реальная цена выросла в 1970-е годы.

График мирового производства алюминия с 1900 г.
Мировое производство алюминия с 1900 г.

Повышение реальной цены, а также изменение тарифов и налогов привело к перераспределению долей мировых производителей: на США, Советский Союз и Японию в 1972 г. приходилось почти 60% мирового первичного производства (и их совокупная доля в мировом производстве сырья). потребление первичного алюминия также было близко к 60%); но их совокупная доля лишь немного превысила 10% в 2012 году. Перемещение производства началось в 1970-х годах, когда производство было перемещено из США, Японии и Западной Европы в Австралию, Канаду, Ближний Восток, Россию и Китай, где оно было дешевле. из-за более низких цен на электроэнергию и благоприятного государственного регулирования, такого как низкие налоги или субсидии. Себестоимость производства в 1980-х и 1990-х годах снизилась из-за технологических достижений, более низких цен на энергию и глинозем, а также высокого обменного курса доллара США.

В 2000-х годах совокупная доля стран БРИК (Бразилия, Россия, Индия и Китай) выросла с 32,6% до 56,5% в первичном производстве и с 21,4% до 47,8% в первичном потреблении. Китай накопил особенно большую долю мирового производства благодаря обилию ресурсов, дешевой энергии и правительственным стимулам; он также увеличил свою долю потребления с 2% в 1972 году до 40% в 2010 году. Единственной другой страной с двузначным процентом были Соединенные Штаты с 11%; ни в одной другой стране этот показатель не превышал 5%. В Соединенных Штатах, Западной Европе и Японии большая часть алюминия потреблялась на транспорт, машиностроение, строительство и упаковку.

В середине 2000-х годов рост цен на энергию, глинозем и углерод (используемый в анодах) вызвал увеличение производственных затрат. Это было усилено изменением обменных курсов: не только ослаблением доллара США, но и укреплением китайского юаня . Последнее стало важным, поскольку большая часть китайского алюминия была относительно дешевой.

Мировое производство продолжало расти: в 2013 году годовое производство алюминия превысило 50 000 000 метрических тонн. В 2015 году это рекордные 57 500 000 тонн. Алюминий производится в больших количествах, чем все другие цветные металлы вместе взятые. Его реальная цена (в долларах США 1998 года) в 2015 году составляла 1340 долларов за метрическую тонну (1940 долларов за тонну в современных долларах).

Смотрите также

Примечания

использованная литература

Библиография